Зейниденов А.К., Ибраев Н.Х.

 

Институт молекулярной нанофотоники, Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, г. Караганда, Республика Казахстан

niazibraev@mail.ru

 

Генерация излучения родамина 6Ж в матрице пористого оксида алюминия

 

Актуальность работы

Повышение эффективности использования перестраиваемых лазеров на красителях в оптических нанотехнологиях может быть связано с созданием новых твердотельных активных элементов на основе наноструктурированных материалов. В качестве твердотельных активных сред для лазеров на красителях широко используются полимерные матрицы, матрицы на основе натриевоборосиликатного пористого стекла [1] и золь-гельные стекла [2,3].

Одним из перспективных материалов, который может быть использован в качестве активной среды, допированный лазерными красителями, является пористый анодный оксид алюминия. Пористые пленки анодного оксида алюминия широко используются в качестве матриц при получении различных наноструктур темплатным методом [4-6]. Пористый оксид алюминия обладает рядом преимуществ: химической, термической устойчивостью, прозрачностью в видимой области спектра, превосходными адсорбционными свойствами, обусловленными большим объемом пор с разветвленной поверхностью [7,8]. Доступные исходные вещества для таких матриц простые и процессы их изготовления позволяют получать элементы низкой себестоимости в сравнении с другими лазерными элементами. Уникальная пористая структура, параметры (диаметр, длина и расстояние между соседними порами) которой возможно варьировать в процессе синтеза позволяет использовать пленки пористого оксида алюминия в качестве изготовления разнообразных устройств и наноматериалов [9].

В настоящей работе впервые была получена генерация лазерного излучения в тонкой пленке нанопористого оксида алюминия, допированного красителем родамин 6Ж. Выбор родамина 6Ж связан с тем, что данный краситель достаточно широко используется в лазерной технике в качестве активной среды и имеет большое значение времени жизни возбужденного состояния, высокий выход флуоресценции и фотостойкость [1].

 

Подготовка образцов и методика эксперимента

 

Синтез оксида алюминия осуществлялся при «мягких» условиях анодирования, включающие две стадии синтеза при малых значениях напряжения (U=40 В) в растворе 0,3 М щавелевой кислоте [10]. Сорбция молекул красителя родамин 6Ж в поры осуществлялось путем выдерживания пленок оксида алюминия в этанольном растворе люминофора.

Измерение спектров поглощения и флуоресценции родамина 6Ж в пленке проводилось на спектрофотометре СМ2203 (Solar). Измерение спектральных характеристик лазерного излучения пленок проводилось на установке, блок-схема которой приведена на рисунке 1.

 

 

1 - лазер LQ 215; 2 - нейтральные фильтры; 3 - диафрагма; 4,5 - цилиндрические линзы; 6 - исследуемый образец; 7 - собирающая линза; 8 - cпектрометр AvaSpec-2048; 9 - компьютер

 

Рисунок 1 - Схема установки для исследования генерационных характеристик тонких пленок

 

Результаты и их обсуждение

Морфология поверхности и поперечного скола образцов, полученные на растровом электроном микроскопе, показаны на рисунке 2. Измерения проводились при ускоряющем напряжении 7 кВ, рабочем расстоянии 7 мм в высоком вакууме. Из полученного изображения (рис. 2а) на верхней стороне пленки наблюдаются поры одинакового диаметра ~50 нм и с расстоянием между порами около 105 нм. На поперечном сколе образца (рис. 2б) видны параллельные прямые каналы, расположенные перпендикулярно поверхности. Удельная площадь поверхности, полученных мембран оксида алюминия, равна 6 м2/г.

 

 

а)                                                б)

 

Рисунок 2 - РЭМ изображения поверхности и поперечного скола нанопористого оксида алюминия полученные в растворе щавелевой кислоты: а) верхняя сторона, б) поперечный скол без удаленного барьерного слоя.

 

На рисунке 3 показаны спектры поглощения и флуоресценции молекул родамина 6Ж в порах оксида алюминия. Из рисунка видно, что мономерная полоса поглощения (кривая 1) красителя в матрице имеет максимум на длине волне l=524 нм. При фотовозбуждении окрашенных пленок в полосе поглощения красителя наблюдается флуоресценции (кривая 3) с максимумом спектра на длине волне l=572 нм.

При увеличении концентрации молекул родамина 6Ж наблюдается уменьшение оптической плотности в полосе поглощения мономеров. Наряду с этим на коротковолновом крыле спектра появляется новый максимум (кривая 2), связанный с образованием димеров красителя. Поглощение димеров приводит и к уширению спектра поглощения. Полуширина спектров поглощения мономеров равна = 42 нм. С ростом концентрации красителя полоса поглощения уширяется до значения равной = 54 нм. Увеличение концентрации красителя приводит и к тушению флуоресценции родамина 6Ж (кривая 4). Полученные данные характерны для концентрированных жидких и твердых растворов родамина 6Ж и согласуются с результатами других работ [11].

 

Рисунок 3 - Спектры поглощения (1,2) и флуоресценции (3,4) родамина 6Ж в матрице нанопористого оксида алюминия при изменении концентрации красителя: 1,3 - 0,3*1014 моль/м2, 2,4 - 0,46*1014 моль/м2

 

Генерация вынужденного излучения молекул красителя в пленке анодированного алюминия получена в максимуме полосы флуоресценции (рис. 4). Как видно из рисунка 4 при плотности мощности источника накачки до 0,2 МВт/см2 мы наблюдаем лишь спектр лазерно-индуцированной флуоресценции исследуемого красителя (кривые 1,2). При достижения мощности источника накачки порядка 0,4 МВт/см2 на фоне спектра лазерно-индуцированной флуоресценции появляется узкая полоса с максимумом на длине волны 572 нм (кривая 3), которая относится к полосе генерации лазерного излучения. Дальнейшее увеличение плотности мощности источника накачки приводит к сужению спектра флуоресценции и развитию полосы генерации. При достижении плотности мощности накачки значения 0,8 МВт/см2 составляющая вынужденного излучения превалирует над составляющей спонтанного излучения (кривая 4), однако полностью исключить составляющую спонтанного излучения в спектре вынужденного излучения не удается. В таблице 1 приведены генерационные характеристики родамина 6Ж в нанопористом оксиде алюминия.

 

1

 

1 - Р=0,04 МВт/см2; 2 - Р=0,2 МВт/см2; 3 - Р=0,4 МВт/см2; 4 - Р=0,8 МВт/см2

 

Рисунок 4 - Спектры генерации молекул родамина 6Ж в нанопористом оксиде алюминия при разных плотностях мощности накачки

 

Таблица 1 - Генерационные характеристики родамина 6Ж в нанопористом оксиде алюминия

 

Плотность мощности накачки, МВт/см2

Порог генерации МВт/см2

, нм

, нм

I max, о.е. (λрег=572 нм)

0,04

 

0,35

-

64

1042

0,2

-

56

5971

0,4

572

14

28885

0,8

572

9

56860

 

Таким образом, в работе были исследованы люминесцентные свойства пленок анодированного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой, допированных молекулами красителя родамин 6Ж. Получена генерация вынужденного излучения молекул родамина 6Ж в пленке анодированного оксида алюминия. Установлено, что при плотности мощности источника накачки 0,35 МВт/см2 наблюдается узкая полоса генерации лазерного излучения с максимумом на длине волны 572 нм.

 

Список использованных источников

1. Земский В.И., Колесников Ю.Л., Мешковский И.К. Физика и техника импульсных лазеров на красителях. – СПб.: СПбГУ ИТМО. 2005.–176 с.

2. Knobbe E.T., Dunn B., Fuqua P.D., Nishida F. // Appl. Optics. 1990. Vol. 29. №18. p. 2729.2733.

3. Ye C., Lam K.S., Lam A.K., Lo L. Dye-doped sol-gel derived silica laser tunable from 352 nm to 387 nm // Applied Physics B. 1997. Vol. 65. P. 109.

4. Lukatskaya M.R., Trusov L.A., Eliseev A.A., Lukashin A.V., Jansen M., Kazin P.E., Napolskii K.S. Controlled way to prepare quasi-1D nanostructures with complex chemical composition in porous anodic alumina // Chemical Communications. 2011. Vol. 47. P. 2396–2398.

5. Napolskii K.S., Barczuk P.J., Vassiliev S.Yu., Veresov A.G., Tsirlina G.A., Kulesza P.J. Templating of electrodeposited platinum group metals as a tool to control catalytic activity. // Electrochimica Acta. 2007. Vol. 52. P. 7910–7919.

6. Napolskii K.S., Roslyakov I.V., Eliseev A.A., Petukhov D.I., Lukashin A.V., Chen S.-F., Liu C.-P., Tsirlina G.A. Tuning the microstructure and functional properties of metal nanowire arrays via deposition potential // Electrochimica Acta. 2011. Vol. 56. P. 2378-2384.

7. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем. // УФН. 2007. Том177. № 6. С. 619-638.

8. Thompson G. E. Porous anodic alumina: fabrication, characterization and applications // Thin Solid Films. 1997. Vol. 297. P. 192 - 201.

9. Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2010. - 456 с.

10. Nielsch K., Choi J., Schwirn, K. et al. Self-ordering regimes of porous alumina: The 10% porosity rule // Nano Letters. 2002. Vol. 2.  P. 677.

11. Южаков В.И. Агрегация молекул красителей и ее влияние на спектрально-люминесцентные свойства растворов. Успехи химии. 1992. Т.61. № 6. С.1114-1141.